Él está a nuestro alrededor y nos permite ver el mundo. Pero pregúntenos a cualquiera de nosotros, y la mayoría no podrá explicar qué es realmente esta luz. La luz nos ayuda a comprender el mundo en el que vivimos. Nuestro lenguaje refleja esto: en la oscuridad nos movemos con el tacto, comenzamos a ver la luz junto con el inicio del amanecer. Y, sin embargo, estamos lejos de una comprensión completa de la luz. Si acercas un rayo de luz, ¿qué habrá en él? Sí, la luz se mueve increíblemente rápido, pero ¿no se puede usar para viajar? Y así sucesivamente y así sucesivamente.
Por supuesto, este no debería ser el caso. La luz ha desconcertado a las mejores mentes durante siglos, pero los descubrimientos emblemáticos de los últimos 150 años han levantado gradualmente el velo del misterio sobre este misterio. Ahora entendemos más o menos qué es.
Los físicos de nuestro tiempo no solo comprenden la naturaleza de la luz, sino que también tratan de controlarla con una precisión sin precedentes, lo que significa que muy pronto se puede hacer que la luz funcione de la manera más sorprendente. Por este motivo, Naciones Unidas ha proclamado 2015 Año Internacional de la Luz.
La luz se puede describir de muchas formas. Pero vale la pena comenzar con esto: la luz es una forma de radiación (radiación). Y esta comparación tiene sentido. Sabemos que el exceso de luz solar puede provocar cáncer de piel. También sabemos que la exposición a la radiación puede ponerlo en riesgo de algunas formas de cáncer; no es difícil establecer paralelismos.
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Pero no todas las formas de radiación son iguales. A finales del siglo XIX, los científicos pudieron determinar la esencia exacta de la radiación luminosa. Y lo más extraño es que este descubrimiento no surgió del estudio de la luz, sino de décadas de trabajo sobre la naturaleza de la electricidad y el magnetismo.
La electricidad y el magnetismo parecen ser cosas completamente diferentes. Pero científicos como Hans Christian Oersted y Michael Faraday han descubierto que están profundamente entrelazados. Oersted descubrió que una corriente eléctrica que pasa a través de un cable desvía la aguja de una brújula magnética. Mientras tanto, Faraday descubrió que mover un imán cerca de un cable podría generar una corriente eléctrica en el cable.
Los matemáticos de ese día utilizaron estas observaciones para crear una teoría que describiera este extraño fenómeno nuevo, al que llamaron "electromagnetismo". Pero solo James Clerk Maxwell pudo describir el panorama completo.
Difícilmente se puede sobrestimar la contribución de Maxwell a la ciencia. Albert Einstein, que se inspiró en Maxwell, dijo que cambió el mundo para siempre. Entre otras cosas, sus cálculos nos ayudaron a comprender qué es la luz.
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Maxwell mostró que los campos eléctricos y magnéticos viajan en ondas, y estas ondas viajan a la velocidad de la luz. Esto permitió a Maxwell predecir que la luz en sí es transportada por ondas electromagnéticas, lo que significa que la luz es una forma de radiación electromagnética.
A fines de la década de 1880, unos años después de la muerte de Maxwell, el físico alemán Heinrich Hertz fue el primero en demostrar oficialmente que el concepto teórico de Maxwell de la onda electromagnética era correcto.
"Estoy seguro de que si Maxwell y Hertz vivieran en la era del Premio Nobel, definitivamente obtendrían uno", dice Graham Hall de la Universidad de Aberdeen en el Reino Unido, donde Maxwell trabajó a fines de la década de 1850.
Maxwell figura en los anales de la ciencia de la luz por una razón diferente y más práctica. En 1861, dio a conocer la primera fotografía en color estable con el sistema de filtro tricolor, que sentó las bases para muchas formas de fotografía en color en la actualidad.
La misma frase de que la luz es una forma de radiación electromagnética no dice mucho. Pero ayuda a describir lo que todos entendemos: la luz es un espectro de colores. Esta observación se remonta al trabajo de Isaac Newton. Vemos el espectro de colores en todo su esplendor cuando un arco iris se eleva en el cielo, y estos colores están directamente relacionados con el concepto de ondas electromagnéticas de Maxwell.
La luz roja en un extremo del arco iris es radiación electromagnética con una longitud de onda de 620 a 750 nanómetros; el color violeta en el otro extremo es una radiación con una longitud de onda de 380 a 450 nm. Pero la radiación electromagnética es más que colores visibles. La luz con una longitud de onda más larga que la roja es lo que llamamos infrarrojos. La luz con una longitud de onda más corta que la violeta se llama ultravioleta. Muchos animales pueden ver con luz ultravioleta, y algunas personas también pueden ver, dice Eleftherios Gulilmakis del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Garching, Alemania. En algunos casos, la gente incluso ve infrarrojos. Quizás por eso no nos sorprende que llamemos formas de luz ultravioleta e infrarroja.
Curiosamente, sin embargo, si las longitudes de onda se acortan o alargan, dejamos de llamarlas "ligeras". Fuera del ultravioleta, las ondas electromagnéticas pueden tener una longitud inferior a 100 nm. Este es el reino de los rayos X y los rayos gamma. ¿Alguna vez ha oído hablar de los rayos X que se llaman una forma de luz?
“Un científico no dirá 'Estoy brillando a través de un objeto con luz de rayos X'. Dirá "Yo uso rayos X", dice Gulilmakis.
Mientras tanto, más allá de las longitudes de onda infrarrojas y electromagnéticas, las ondas se extienden hasta 1 cm e incluso hasta miles de kilómetros. Estas ondas electromagnéticas se denominan microondas u ondas de radio. A algunos les puede parecer extraño percibir las ondas de radio como luz.
“No hay mucha diferencia física entre las ondas de radio y la luz visible desde el punto de vista de la física”, dice Gulilmakis. "Los describirás con las mismas ecuaciones y matemáticas". Solo nuestra percepción cotidiana los distingue.
Por lo tanto, obtenemos una definición diferente de luz. Este es un rango muy estrecho de radiación electromagnética que nuestros ojos pueden ver. En otras palabras, la luz es una etiqueta subjetiva que solo usamos debido a las limitaciones de nuestros sentidos.
Si desea una prueba más detallada de cuán subjetiva es nuestra percepción del color, piense en el arco iris. La mayoría de la gente sabe que el espectro de luz contiene siete colores primarios: rojo, naranja, amarillo, verde, cian, azul y violeta. Incluso tenemos proverbios y refranes útiles sobre cazadores que quieren saber dónde está un faisán. Mire un bonito arco iris e intente ver los siete. Incluso Newton no tuvo éxito. Los científicos sospechan que el científico dividió el arco iris en siete colores, ya que el número "siete" era muy importante para el mundo antiguo: siete notas, siete días de la semana, etc.
El trabajo de Maxwell sobre electromagnetismo nos llevó un paso más allá y mostró que la luz visible era parte de un amplio espectro de radiación. La verdadera naturaleza de la luz también quedó clara. Durante siglos, los científicos han intentado comprender qué forma adquiere realmente la luz en una escala fundamental a medida que viaja desde la fuente de luz hasta nuestros ojos.
Algunos creían que la luz se mueve en forma de ondas u ondulaciones, a través del aire o del misterioso "éter". Otros pensaron que este modelo de ondas tenía fallas y consideraban que la luz era una corriente de partículas diminutas. Newton se inclinó por la segunda opinión, especialmente después de una serie de experimentos que realizó con luz y espejos.
Se dio cuenta de que los rayos de luz obedecen estrictas reglas geométricas. Un rayo de luz reflejado en un espejo se comporta como una pelota lanzada directamente a un espejo. Newton sugirió que las ondas no seguirán necesariamente estas líneas rectas predecibles, por lo que la luz debe ser transportada por alguna forma de partículas diminutas y sin masa.
El problema es que ha habido pruebas igualmente convincentes de que la luz es una onda. Una de las demostraciones más claras de esto fue en 1801. El experimento de doble rendija de Thomas Young, en principio, se puede realizar de forma independiente en casa.
Tome una hoja de cartón grueso y corte con cuidado dos cortes verticales delgados en ella. Luego, tome una fuente de luz "coherente" que solo emitirá luz de una cierta longitud de onda: un láser funcionará bien. Luego, dirija la luz hacia dos rendijas para que al pasar, caiga sobre la otra superficie.
Esperaría ver dos líneas verticales brillantes en la segunda superficie donde la luz ha pasado a través de las rendijas. Pero cuando Jung hizo el experimento, vio una secuencia de líneas claras y oscuras como un código de barras.
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Cuando la luz pasa por rendijas delgadas, se comporta como ondas de agua que pasan por una abertura estrecha: se dispersan y se propagan en forma de ondas hemisféricas.
Cuando esta luz pasa por dos rendijas, cada onda amortigua a la otra, formando manchas oscuras. Cuando las ondas convergen, se complementa para formar líneas verticales brillantes. El experimento de Young confirmó literalmente el modelo de onda, por lo que Maxwell puso la idea en una forma matemática sólida. La luz es una ola.
Pero luego hubo una revolución cuántica
En la segunda mitad del siglo XIX, los físicos intentaron descubrir cómo y por qué algunos materiales absorben y emiten radiación electromagnética mejor que otros. Vale la pena señalar que la industria de la luz eléctrica se estaba desarrollando en ese momento, por lo que los materiales que pueden emitir luz eran algo serio.
Hacia fines del siglo XIX, los científicos descubrieron que la cantidad de radiación electromagnética emitida por un objeto cambiaba con su temperatura, y midieron estos cambios. Pero nadie sabía por qué estaba pasando esto. En 1900, Max Planck resolvió este problema. Descubrió que los cálculos pueden explicar estos cambios, pero solo si asumimos que la radiación electromagnética se transmite en pequeñas porciones discretas. Planck los llamó "quanta", el plural del latín "quantum". Unos años más tarde, Einstein tomó sus ideas como base y explicó otro experimento sorprendente.
Los físicos han descubierto que una pieza de metal se carga positivamente cuando se irradia con luz visible o ultravioleta. Este efecto se llamó fotoeléctrico.
Los átomos del metal perdieron electrones cargados negativamente. Aparentemente, la luz entregó suficiente energía al metal para que liberara algunos de los electrones. Pero no estaba claro por qué los electrones hicieron esto. Podrían transportar más energía simplemente cambiando el color de la luz. En particular, los electrones liberados por un metal irradiado con luz violeta transportan más energía que los electrones liberados por un metal irradiado con luz roja.
Si la luz fuera solo una onda, sería ridículo
Por lo general, cambia la cantidad de energía en la ola, haciéndola más alta (imagine un tsunami alto de poder destructivo) y no más larga ni más corta. En términos más generales, la mejor manera de aumentar la energía que la luz transfiere a los electrones es hacer que la onda de luz sea más alta: es decir, hacer que la luz sea más brillante. Cambiar la longitud de onda, y por lo tanto la luz, no debería haber hecho mucha diferencia.
Einstein se dio cuenta de que el efecto fotoeléctrico es más fácil de entender si representa la luz en la terminología de los cuantos de Planck.
Sugirió que la luz es transportada por pequeños fragmentos cuánticos. Cada cuanto lleva una porción de energía discreta asociada con una longitud de onda: cuanto más corta es la longitud de onda, más densa es la energía. Esto podría explicar por qué las porciones de longitud de onda relativamente corta de la luz violeta transportan más energía que las porciones relativamente largas de la luz roja.
También explicaría por qué simplemente aumentar el brillo de la luz no afecta realmente el resultado.
La luz más brillante entrega más porciones de luz al metal, pero esto no cambia la cantidad de energía transportada por cada porción. En términos generales, una porción de luz violeta puede transferir más energía a un electrón que muchas porciones de luz roja.
Einstein llamó a estas porciones de fotones de energía y ahora se reconocen como partículas fundamentales. La luz visible es transportada por fotones y también se transportan otras formas de radiación electromagnética como rayos X, microondas y ondas de radio. En otras palabras, la luz es una partícula.
En este punto, los físicos decidieron poner fin al debate sobre de qué está hecha la luz. Ambos modelos fueron tan convincentes que no tenía sentido abandonar uno. Para sorpresa de muchos no físicos, los científicos han decidido que la luz se comporta como una partícula y una onda al mismo tiempo. En otras palabras, la luz es una paradoja.
Al mismo tiempo, los físicos no tuvieron problemas con la personalidad dividida de la luz. Esto, hasta cierto punto, hizo que la luz fuera doblemente útil. Hoy, confiando en el trabajo de las luminarias en el sentido literal de la palabra, Maxwell y Einstein, lo sacamos todo de la luz.
Resulta que las ecuaciones utilizadas para describir las ondas de luz y las partículas de luz funcionan igual de bien, pero en algunos casos una es más fácil de usar que la otra. Entonces, los físicos cambian entre ellos, al igual que usamos metros para describir nuestra propia altura y nos movemos a kilómetros para describir un paseo en bicicleta.
Algunos físicos están intentando utilizar la luz para crear canales de comunicación cifrados, por ejemplo, para transferencias de dinero. Para ellos tiene sentido pensar en la luz como partículas. Esto se debe a la extraña naturaleza de la física cuántica. Dos partículas fundamentales, como un par de fotones, pueden "entrelazarse". Esto significa que tendrán propiedades comunes sin importar qué tan lejos estén entre sí, por lo que pueden usarse para transferir información entre dos puntos de la Tierra.
Otra característica de este entrelazamiento es que el estado cuántico de los fotones cambia cuando se leen. Esto significa que si alguien intenta escuchar a escondidas un canal cifrado, en teoría, inmediatamente delatará su presencia.
Otros, como Gulilmakis, usan la luz en la electrónica. Les resulta más útil imaginar la luz como una serie de ondas que se pueden domesticar y controlar. Los dispositivos modernos llamados "sintetizadores de campo de luz" pueden combinar ondas de luz en perfecta sincronización entre sí. Como resultado, crean pulsos de luz que son más intensos, de corta duración y más direccionales que la luz de una lámpara convencional.
Durante los últimos 15 años, estos dispositivos han aprendido a usarse para controlar la luz en un grado extremo. En 2004, Gulilmakis y sus colegas aprendieron a producir pulsos de rayos X increíblemente cortos. Cada pulso duró solo 250 attosegundos, o 250 trillones de segundos.
Usando estos pequeños pulsos como el flash de una cámara, pudieron capturar imágenes de ondas individuales de luz visible que oscilan mucho más lentamente. Literalmente tomaron fotografías de luz en movimiento.
"Desde la época de Maxwell, sabíamos que la luz es un campo electromagnético oscilante, pero nadie pensó que podríamos tomar fotografías de luz oscilante", dice Gulilmakis.
Observar estas ondas de luz individuales fue el primer paso hacia la manipulación y modificación de la luz, dice, al igual que alteramos las ondas de radio para transportar señales de radio y televisión.
Hace cien años, el efecto fotoeléctrico mostró que la luz visible afecta a los electrones de un metal. Gulilmakis dice que debería ser posible controlar con precisión estos electrones utilizando ondas de luz visible modificadas para interactuar con el metal de una manera bien definida. “Podemos manipular la luz y usarla para manipular la materia”, dice.
Esto podría revolucionar la electrónica y dar lugar a una nueva generación de ordenadores ópticos más pequeños y rápidos que los nuestros. "Podemos mover electrones a nuestro antojo, creando corrientes eléctricas dentro de los sólidos con la ayuda de la luz, y no como en la electrónica ordinaria".
Aquí hay otra forma de describir la luz: es un instrumento
Sin embargo, nada nuevo. La vida ha estado usando la luz desde que los primeros organismos primitivos desarrollaron tejidos sensibles a la luz. Los ojos de las personas capturan los fotones de la luz visible, los usamos para estudiar el mundo que nos rodea. La tecnología moderna lleva esta idea aún más lejos. En 2014, el Premio Nobel de Química fue otorgado a investigadores que construyeron un microscopio de luz tan poderoso que se consideró físicamente imposible. Resultó que si lo intentamos, la luz puede mostrarnos cosas que pensamos que nunca veríamos.
